Текст книги "Чем мир держится?"

Автор книги: Роман Подольный

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 15 страниц)

Гравитационная постоянная

Она появилась на свет из-под пера Исаака Ньютона, как Афина-Паллада в древнем мифе из головы Зевса. Мало было великому Ньютону понять, что тяготение прямо пропорционально массе тел и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Надо было еще ввести коэффициент пропорциональности, Этот коэффициент и стал в дальнейшем именоваться гравитационной постоянной, заняв почетнейшее – первое уже по старшинству – место среди физических постоянных, или констант.

Менялись только латинские буквы, обозначающие этот коэффициент. Одно время его представляла в формулах строчная f, теперь чаще всего эту роль берет на себя заглавное G. Над самой гравитационной постоянной не властна среда, разделяющая массы, она не зависит от химических и любых иных свойств этих масс. Холодные планеты и самые горячие из звезд не в силах изменить коэффициент в формуле Исаака Ньютона. Он остается тем же в уравнениях и для двух протонов и для двойной звезды. Это воистину постоянная. Большинство, пожалуй, даже огромное большинство ученых полагают, что над гравитационной константой не властно даже время.

Поль Дирак, автор множества смелых идей, человек, предсказавший, в частности, существование позитрона – «положительного электрона», поставил под сомнение неизменность гравитационной постоянной во времени. Если он прав, то получается, что хотя в истории Вселенной тяготение всегда определялось, как и сегодня, массой тяготеющих тел и расстоянием между ними, сила тяготения изменялась. Точнее, уменьшалась.

Размеры такого уменьшения были предположительно определены: на три стомиллиардные доли за триста шестьдесят пять дней.

Неисчислимы проистекающие из такого взгляда последствия для наших представлений об эволюции всего нашего мира и, в частности, маленькой планеты Земля.

Физик Иордан сделал из гипотезы Дирака о постоянном ослаблении гравитационной постоянной определенный вывод, что в результате этого процесса Земля должна расширяться, как шарик, который надувают воздухом.

Между тем некоторые геологи совершенно независимо от физиков пришли к тому же выводу о расширении Земли на протяжении всей ее истории. (А другие, напротив, категорически отстаивают неизменность размеров планеты или даже говорят об ее сжатии; есть и предположение, что Земля то расширяется, то сжимается – пульсирует.)

Уменьшение гравитационной постоянной «по Дираку» за год примерно на три стомиллиардные доли ее теперешней величины должно иметь в числе своих следствий удаление Луны от Земли каждый год примерно на два сантиметра с соответствующими изменениями ее орбиты. Обработка данных лунных затмений за девятнадцать лет как будто подтвердила сам факт удаления Луны, но связан ли он именно с уменьшением гравитационной постоянной? С нашей соседкой и спутницей у ученых вообще относительно много хлопот, и такой эффект может объясняться, конечно, и иначе.

По расчетам одного американского физика получается, что если бы гравитационная постоянная по мере углубления в прошлое росла, то всего один миллиард лет назад температура на поверхности нашей планеты должна была превышать сто градусов по Цельсию. Чем больше притяжение, тем больше должно было быть давление в центре Солнца. Выше давление – выше температура ядерных реакций – ярче Солнце – жарче на Земле. Ясно, что при такой температуре жизнь невозможна. Между тем у нас есть веские доказательства того, что миллиард лет назад жизнь на Земле процветала.

Но не будем торопиться. Тем более, что в своем широком космическом, даже космологическом варианте, в виде самой гипотезы Дирака, это предположение все-таки не теряет своей популярности.

…Величайшая катастрофа для физики – если бы мы могли разрешить все главные нерешенные проблемы, но я не опасаюсь, что это может произойти в сколько-нибудь обозримом будущем.

Фримен Дайсон

Ученые снова обращают внимание на сходство между характеризующими Метагалактику величинами. Время при космологических расчетах можно исчислить в так называемых атомных единицах. За атомную единицу принимается время, за которое свет проходит расстояние, равное «классическому радиусу электрона».

Атомная единица времени равна примерно десяти в минус двадцать третьей степени секунды – одной стосекстилльонной доле секунды. Наша Метагалактика существует на протяжении примерно десяти в сороковой степени таких единиц.

Итак, перед нами десятка в сороковой степени. Отношение электромагнитных сил в атоме к гравитационным, если усреднить данные по электронам и нуклонам (об этом говорилось во введении к книге), составляет примерно десять в сороковой степени. По мнению ряда специалистов, эти величины слишком близки друг к другу, чтобы сходство могло оказаться случайным. Ослабление притяжения – прямое следствие возраста нашего мира. Старость – не радость…

Но ведь изменение гравитационной постоянной должно было сказываться не только на размерах Земли, ион на ее орбите вокруг Солнца, как и на орбитах всех других планет.

А что должно было происходить, скажем, с двойными звездами в прошлом, когда взаимное притяжение в этих системах было намного больше, чем сегодня?

Сама эволюция звезд, как достоверно известно, зависит от их массы; примем можно сказать, что не столько от массы, сколько от произведения массы на гравитационную константу. Представление о вековом уменьшении гравитационной постоянной должно бы заставить астрономов-теоретиков пересмотреть такое количество устоявшихся теорий, что это вызвало бы, пожалуй, настоящий кризис их науки. Даже нынешние взгляды на историю и ход синтеза элементов во Вселенной подлежали бы пересмотру. Как и то, что мы считаем известным относительно множества деталей, касающихся, например, эволюции планетных атмосфер.

Вот простой пример. Сейчас, пожалуй, даже школьники младших классов знают, что такое вторая космическая скорость – наименьшая скорость, которую надо придать телу, находящемуся у поверхности космического тела, чтобы оно без воздействия каких-либо дополнительных сил покинуло это космическое тело навсегда. Для Земли вторая космическая скорость – одиннадцать и две десятых километра в секунду, для Луны – всего два и четыре десятых километра в секунду, для Юпитеpa – шестьдесят один, для белых карликов – четыре тысячи километров в секунду. И это еще не предел. На поверхности нейтронных звезд она равна уже половине скорости света! Вот как трудно вырваться из их объятий. Что уж говорить о черных дырах, где и скорости света для этого мало.

Однако на планетах некоторые молекулы и атомы газов, составляющих атмосферу, в своем беспорядочном тепловом движении достигают второй космической скорости – в применении к ним ее называют еще скоростью ускользания.

В нижних, относительно плотных слоях атмосфер такие молекулы-рекордсменки сталкиваются с другими молекулами, и эти столкновения то и дело меняют и скорость и направление их движения. «Завистливые соседки» не дают своим разогнавшимся товаркам вырваться из пут притяжения. Но в верхних разреженных слоях атмосферы дело обстоит иначе. Скоростные молекулы некому остановить, и они навсегда ускользают в космическое пространство, пополняя мировые запасы межзвездного газа.

При этом поскольку, во-первых, в верхних частях атмосфер относительно велика доля легких газов и поскольку, во-вторых, легкие молекулы чаще достигают второй космической скорости, то в первую очередь из атмосфер исчезают легкие газы – водород и гелий.

В земной атмосфере есть и водород, и гелий, но только потому, что их запасы постоянно пополняются (водородом из молекул воды, распавшихся под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца). Ведь время полного исчезновения из нашей атмосферы всего входящего в данный момент в ее состав водорода составляет всего несколько лет.

Другое дело – гигант Юпитер, его водороду куда труднее разогнаться до юпитерианской скорости ускользания, она ведь в пять с лишним раз больше земной. На Юпитере много и водорода и гелия.

А вот Луна, где сила тяжести в шесть раз, а скорость ускользания почти в пять раз меньше земной, давно потеряла свою атмосферу целиком. Меркурий и Марс имеют силу притяжения примерно втрое меньшую, чем Земля, и их атмосфера чрезвычайно разрежена.

На основе этих фактов можно представить себе, насколько иначе должна выглядеть история планет, если в прошлом гравитационная постоянная была много больше.

В формулу, по которой определяется скорость ускользания, входит корень квадратный из удвоенного произведения гравитационной постоянной на массу планеты, деленный на радиус планеты. Значит, скорость ускользания тем больше, чем больше эта постоянная и чем меньше радиус. Однако радиус-то планеты, в свою очередь, тем меньше, чем больше постоянная G. Значит, в прошлом атмосферным молекулам (по Дираку!) было гораздо труднее покидать относительно малые планеты. Выходит, Дирак своей гипотезой льет воду на мельницу предложений о существовании, по крайней мере в далеком прошлом, цивилизаций на Марсе и даже Луне.

Однако факты, которыми располагают астрофизики (именно факты, оставим сейчас в стороне выводимые из этих фактов теории), не требуют такой коренной ломки. Астрофизики в своем большинстве не чувствуют потребности в столь крутой ломке созданной ими картины мира. То же относится к большинству геологов.

Но есть ученые, верные идее Дирака. И тут нам остается только вспомнить грустные слова английского астрофизика Ф. Хойла: «Тому, кто не работает активно в какой-либо области науки, трудно себе представить, как много можно сказать в пользу любой из множества противоречащих друг другу теорий».

Так или иначе, сейчас земная экспериментальная техника вышла к рубежу, на котором гипотеза Дирака может быть проверена и, значит, должна быть проверена.

Это – одна из задач, которые будут разрешаться с помощью аппаратуры на спутниках, свободных от сноса, и «солнечном зонде».

На старой Земле и рядом

Эта глава объединяет четыре небольшие темы, посвященные роли гравитации для нашей планеты, для живых существ на ней вообще и человека в частности. Она отнюдь не претендует на исчерпание этих тем. Речь идет только о том, чтобы на примерах показать важность тяготения, его вездесущность не только в качестве, так сказать, свидетеля и фона для всего, что происходит на нашей планете, но и одного из важнейших героев весьма многих событий. Автор устоял перед соблазном дать длинный ряд рассуждений типа «гравитация и история», «гравитация и география», «гравитация и…» – в качестве второго слова в таком сочетании можно использовать названия большинства наук и научных дисциплин. Возьмем, скажем, баллистику, столь важную для военного дела. Траектория снаряда определяется не только скоростью его вылета из ствола орудия, но и земным тяготением. А архитектура? А кораблестроение и авиастроение?

Можно сочинить специальную книгу о тяготении как враге человечества, больше того, рассмотреть историю человечества под углом его борьбы с гравитацией. Одна ее глава может называться «Сопромат», потому что именно сила тяжести в первую очередь испытывает на прочность почти все материалы, которыми пользуется человечество.

Можно написать книгу о тяготении как нашем друге и помощнике. Ведь если оно забирает, по некоторым подсчетам, четверть вырабатываемой нашей цивилизацией энергии, то вся эта энергия, кроме разве что атомной, обязана своим появлением, как тоже говорилось, в конечном счете гравитации.

И так далее, и тому подобное.

Фигура леди Земли

Давным-давно, издеваясь над педантами, от их лица изрекли: не Шекспир важен, а комментарии к нему. Между тем комментарии к Шекспиру тоже важны. Такая, казалось бы, вневременная и при чтении в XX веке безобидная и даже легкомысленная комедия «Сон в летнюю ночь» до отказа набита намеками, в том числе весьма злыми, на конкретных современников автора, как его друзей и знакомых, так и просто знаменитостей. Зрители шекспировского театра «Глобус», наверное, встречали дружным хохотом напоминания о недавних скандалах и аплодисментами – реплики, по сути, обращенные не к тем, кто играл на сцене, а к тем, кто сидел в зале или присутствовал в это время на приеме в королевском дворце.

И Свифтовы «Путешествия Гулливера» тоже можно читать без комментариев. Но стоит ли? Возьмем, к примеру, борьбу тупоконечников и остроконечников в Лилипутии, развернувшуюся вокруг проблемы, с какого конца надо разбивать яйцо. При некотором умственном напряжении и без примечаний можно догадаться, что великий сатирик обращает свое жало против религиозных войн. Но Свифт отличался умением поражать сразу несколько целей. И современники, безусловно, видели в партиях тупоконечников и остроконечников еще и намек на шедшую в то время борьбу двух научных партий, каждая из которых по-своему определяла фигуру нашей планеты.

Какова форма Земли? Это сегодня мы знаем, что она сплющена у полюсов (а значит, победили тупоконечники, возглавляемые самим Исааком Ньютоном). Но вот итальянский астроном и математик Джованни-Доменико Кассини, ставший во Франции Жаном Домеником и директором Парижской обсерватории (а также основателем династии французских астрономов), считал, что Земля сплющена у экватора и удлинена по направлению к полюсам. Так полагал и его сын Жак Кассини.

Проблема фигуры Земли стала полем научного сражения между двумя мощными научными школами, для каждой из них это был лишь сугубо частный вопрос, деталь в картине мира, рисуемой обеими школами по-своему. По «теории вихрей» великого французского философа Декарта Земле надлежало быть вытянутой. Спор был чисто научным, но длился так долго, что приобретал для обеих сторон политический и даже – увы! – национальный оттенок. Франция, постепенно уступавшая Англии место ведущей державы Западной Европы, жаждала реванша хотя бы на поле научной битвы.

Чтобы решить вопрос, надо было «просто» измерить Землю. Или, говоря точнее, измерить хотя бы кусочки дуг меридиана на разных широтах и посмотреть, как соотносятся расстояния, приходящиеся на один градус. Собственно говоря, измерять эти расстояния во Франции начали еще до того, как мир узнал о ньютоновском законе всемирного тяготения. В 1679–1680 годах эту работу начал астроном Пикар, к 1715 году ее закончил Жак Кассини. Измерения дали результат, говоривший в пользу «остроконечников», – не потому ли, что измерения были организованы последователями Кассини? Нет, здесь даже мысли не может быть о намеренной фальсификации вычислений, но история науки знает немало случаев, когда ученые получали именно те результаты, которые им хотелось получить.

Первый из династии Кассини (его потомки вплоть до правнука наследовали пост директора Парижской обсерватории в течение ста двадцати четырех лет, пока этот пост не был ликвидирован) вошел в историю науки как составитель подробной карты Луны, открыватель четырех спутников Сатурна и многого другого. Немало сделал и его сын. Оба были настоящими учеными. А за «тупоконечниками» стоял не только Исаак Ньютон, который учел действие на форму Земли центробежной силы, растягивающей планету у экватора и сплющивающей у полюсов, но и его великий оппонент по некоторым другим вопросам Гюйгенс. При этом Ньютон принял для удобства расчета, что Земля однородна и состоит из жидкости, свободно перетекающей внутри ее фигуры под действием сил тяготения и центробежной. Если правы были «остроконечники», то градусы меридиана тем длиннее, чем они ближе к экватору и дальше от полюса. Так и получилось у Кассини, но длину обоих градусов измеряли под Парижем, где разница между ними, кто бы ни был прав, не могла быть достаточно велика для точных измерений. Споры приняли такой размах (только в 1733 году и только во Франции вышли из печати шесть работ по проблеме фигуры Земли), что Парижская академия при поддержке морского министра отправила в 1735 году экспедицию в Перу, на экватор, а несколько позже – другую, в Лапландию, поближе к полюсу.

Восемь лет в Кордильерах французские ученые измеряли дугу длиной в три градуса восемь минут. В Лапландии условия были немногим легче. Экспедиция получила в свое распоряжение военные отряды, которые прорубали просеки в лесах, обеспечивая возможность измерений. Сами измерения совершали с помощью сосновых жердей с выверенной длиной в десять метров. К большому удивлению членов северной экспедиции, длина градуса оказалась на целых два километра больше, чем полагалось «по Кассини». Запоздавшее сообщение из Перу стало только подтверждением результатов, полученных при сравнении данных из Лапландии со старыми измерениями дуги градуса под Амьеном. Чем ближе к полюсу, тем длиннее становился градус.

Руководитель лапландской экспедиции Мопертюи писал: «Вернувшись, мы столкнулись со значительными раздорами: Париж, жители которого не могут остаться безразличными ни к какому вопросу, разделился на два лагеря: одни приняли нашу сторону; другие же считали, что для чести нации невозможно, чтобы у Земли осталась иностранная фигура, которую придумали один англичанин и один голландец».

Вольтер в письмах именовал Мопертюи «тем, кто сплющил Землю и всех Кассини».

Какое отношение имеет борьба «тупо»– и «остроконечников» к теме книги?

Да дело в том, что, по определению Н. П. и А. Н. Грушинских, авторов книги «В мире сил тяготения», теория фигур планет (и Земли в том числе) опирается на те же постулаты, имеет те же принципы и законы, что небесная механика, изучающая движение тел в поле всемирного тяготения. Обеим им равно положили начало работы Галилео Галилея и открытие Ньютоном закона всемирного тяготения.

Но две науки, родившиеся из одного корня, развивались дальше каждая своими путями, которые, впрочем, часто пересекались, порою сливаясь; науки-сестры обогащали друг друга. И если небесная механика обрела практический смысл относительно недавно, когда в ее проблематику полноправно вошло движение искусственных спутников Земли, то физическая геодезия, она же геодезическая гравиметрия, стала работать на практику еще во второй половине XIX века…

Впрочем, надо сразу сделать оговорку, что слово «практика» здесь в обоих случаях понимается исключительно в узком смысле. Давно сказано, что нет ничего практичнее хорошей теории. И потому небесная механика оплодотворяла своим воздействием многие науки еще триста лет назад.

И если спор «тупоконечников» и «остроконечников» был решен чисто геометрически, то, как пишут Н. П. и А. Н. Грушинские, сама постановка его возникла из гравиметрических понятий – из теории тяготения Ньютона и понятия силы тяжести как равнодействующей двух сил – притяжения и центробежной.

Недаром именно один из «измерителей дуг» – Алексис-Клод Клеро, ставший в восемнадцать лет академиком, вывел теорему зависимости силы тяжести в определенной точке от положения этой точки на земном эллипсоиде. Иными словами, теорема Клеро довольно точно позволяет определить зависимость силы тяжести от широты. И если тут приходится говорить не «точно», а только «довольно точно», так в этом виноват не Клеро, а сама планета Земля. Она ведь состоит не из однородной жидкости, как условно принял Ньютон, и не из слоев, каждый из которых хотя бы внутри однороден, как предположил Клеро.

Долгая и богатая идеями и открытиями история того, как уточняли фигуру Земли, останется за пределами книги. Хотя в этой истории огромную роль сыграли все новые и новые измерения силы тяготения. Из шара Земля стала эллипсоидом и потом получила имя единственной в своем роде геометрической фигуры – геоида. Геоид – значит «подобный Земле». С какой же точностью надо было провести исследования, чтобы полученные результаты нельзя было даже подогнать к чему-то, кроме нашей планеты… И все это – первоначально – делалось без какой-либо надежды на чисто практическую отдачу. Должно было пройти почти двести лет с начала спора между «тупоконечниками» и «остроконечниками», чтобы появились гравиметрические методы геологической разведки. Естественно, там, где под поверхностью Земли скрыты запасы тяжелых металлов, сила тяжести больше, чем обычно; там, где есть пустоты, заполненные нефтью или газом, она меньше, чем по соседству.

Сейчас для измерения фигуры Земли и силы тяжести в ее точках используют уже не сосновые жерди десятиметровой длины, а приборы, установленные на спутниках. Сжатие Земли, например, удалось после запуска спутников определить в сотню раз точнее, чем прежними способами. Каждый спутник сам по себе – это прибор для измерения поля земного притяжения, ведь его траекторию прежде всего определяет именно это поле. Но по-прежнему в чести и совсем простые на вид приборы для определения силы тяжести, приборы самого земного характера, о которых речь пойдет в следующей главе.

Не только общие очертания фигуры Земли определяются силой тяготения и центробежной силой. Советский ученый Б. Л. Личков рассматривает такое грандиозное явление, как горообразование, в качестве части процесса переформирования фигуры Земли при изменениях скорости ее вращения. С увеличением или уменьшением скорости вращения планеты изменяется ведь и степень ее сжатия.

Главное проявление гравитации в современной «внешней» жизни нашей планеты в том, что она удерживается Солнцем на своей орбите. Следующее, пусть не по значению, а по очевидности, – то, что мы тащим с собой вокруг Солнца собственную спутницу – Луну.

Но и Луна в свою очередь влияет на процессы, происходящие на Земле, чему доказательство – приливы и отливы. Мировой рекорд по максимальной высоте прилива более тринадцати с половиной метров делят два залива у побережья Канады. В Англии в заливе Северн высота прилива достигает тринадцати метров десяти сантиметров, во Франции в бухте Мон-Сен-Мишель– двенадцати метров шестидесяти сантиметров. Однако приливы и отливы бывают не только в океанах и морях; Луна и Солнце вызывают приливы и в земной коре. В районе экватора максимальные колебания земной поверхности по этой причине достигают примерно полуметра, а на широте Москвы до сорока сантиметров. К счастью, приливные волны в земной коре – очень длинные и очень медленные; в отличие от океанских приливов, их можно обнаружить только с помощью специальных приборов.

Однако сейчас ряд специалистов пытается связать с гравитационным воздействием Солнца и Луны… землетрясения или по крайней мере значительную их часть.

Еще в прошлом веке было замечено и подтверждено проверкой и новыми наблюдениями, что землетрясения чаще всего происходят в моменты новолуний и полнолуний, причем тогда, когда сама Луна находится вблизи перигея, то есть той точки своей орбиты, которая наиболее близка к Земле. Считать это случайностью трудно.

Сейчас многие сейсмологи отводят приливным волнам в земной коре двойную роль, обе стороны которой в равной степени неприятны для нас, землян. Во-первых, приливные волны играют роль провокаторов, они расшатывают равновесное состояние масс, слагающих земную кору, способствуют возникновению смещений этих масс и тектонических разрывов. Энергетический вклад приливных волн в эти процессы относительно очень мал, однако и «капля дробит камень не силой, но частым падением», как знали еще древние римляне. Во-вторых, когда равновесие окажется нарушенным и на большом участке планеты возникает возможность землетрясения, «та же самая» приливная волна выступает в роли спички, поджигающей здание, последней соломинки, ломающей спину верблюда.

Нет, испытывать чужое притяжение, как и притягивать самому, – вещь и для космических тел хоть и необходимая, но не безопасная.

Прослеживается связь фаз Луны и ее относительной близости к Земле с извержениями вулканов. Есть гипотеза, по которой энергия приливов в твердой оболочке Земли частично идет на подъем магмы из глубинных ее очагов к жерлам вулканов, да и вообще ближе к поверхности Земли. Не исключено, что часть энергии таких волн тратится на расплавление и превращение в магму некоторых количеств твердого вещества в земной коре.

Беспокойная соседка – эта Луна! Правда, гравитационное влияние Земли на Луну относительно больше, пропорционально перевесу пашей планеты в массе. «Мы» своим тяготением развернули Луну, поворотили ее к Земле одной стороной, вызвали серьезные изменения в фигуре своей спутницы, земные приливы в твердом веществе Луны сильнее, чем соответствующие лунные приливы на Земле… Не нам жаловаться.

Сейчас ряд ученых разрабатывает гипотезы, связанные с влиянием на Землю центров тяготения, куда более отдаленных, чем Солнце. Ставится такой вопрос: случайно ли самый высокий материк нашей планеты, Антарктида, находится в районе южного полюса? Ведь сейчас наша планета обращена именно Южным своим полушарием в сторону центра Галактики. Нет ли здесь проявления некой закономерности?..